1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 早期的造纸机等多数对速度调节控制要求较高的工业设备、传动系统都采用直流调节控制装置，驱动直流电动机进行 速度调节控制。直流调节装置大都为模拟器件，调试难度大、稳定性差、故障率高。 直流电动机电刷、换向器及测速机损耗大，均为硬接触性磨损；随着变频器技术的发展，特别是矢量技术的出现，极大改善了交流传动的性能与可靠性。 本设计中提出的调频调速方案，以变频器为核心的控制交流电机调速的系统，可以利用变频器内置卷
2、径计算功能，反馈卷径大小，并以此为依据，实时调整张力，然后改变自身输出电压来控制电机转矩，从而使系统达到恒张力卷绕的目的。以此设计理念改造现有的纸张卷绕设备，使之满足不断发展的生产需要，提高生产效率的同时简化了操 作工序，也节约了维护成本，产品质量也因为系统稳定得以提升。本设计即是对采用变频对直流传动的改造进行研究和实践。 关键词 ：变频器 直流传动 纸张卷绕 II Inverter in dc transmission paper winding machine of practice and study upgrading transformation Abstract Most of t
3、hose commercial installations and drive systems which have high requirements of speed control and adjustment, such as the paper machine in the early stage, adopt DC adjusting control device. But DC adjusting devices are always analog devices, which are difficult to debug, unqualified in stability an
4、d high in failure rate. Besides, the electric brush, commutator and ZYS of the D. C. motor are subject to Hard contact wear. Yet, with the development of inverter technology especially the emergence of vector technology, AC drives performance and reliability are greatly improved. In the project of V
5、VVF proposed in this design, frequency converter is the AC motor speed adjustment system, which can compute coil diameter with the built-in basic calculation, make a real-time adjustment of tension and then change its output voltage to control motor torque, in order for constant tension winding. The
6、 design concept, which intends to reform the current paper winding equipment, can meet the new requirement of production, improve production efficiency, simplify operation sequence and save maintenance cost. The quality, most importantly, is to be enhanced because of the stable system.This design re
7、searches and practices based on the reformation of DC drive brought by frequency conversion. Keywords: inverter Dc transmission Paper winding变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 3 目录 摘 要 .I Abstract . II 1 绪论 . 5 1.1课题的来源 . 5 1.2课题的意义 . 5 1.3变频技术在卷绕机上应用国内外的发 展状况 . 5 1.3.1变频器的发展及现状 . 5 1.3.2变频器的发展方向预测 . 6 1.3.3卷绕
8、机的发展及现状 . 7 1.4课题研究的主要内容 . 7 1.4.1直流转矩控制原理。 . 7 1.4.2变频转矩控制原理 . 9 2设备方案设计与总体设计 . 11 2.1卷绕调速方案 . 11 2.1.1张力控制原理 . 11 2.1.2卷绕机的卷绕方式 . 12 2.1.3卷绕的恒张力控制方案 . 13 2.1.4卷径计算的方式 . 14 2.2变频方案的设计 . 14 2.2.1变频器的结构组成 . 14 2.2.3开环转矩控制模式 . 18 2.2.4本设计中的变频器接口图 . 19 2.2.5本设计中的 DI端子的接线方式 . 20 2.2.6变频器的外围电路 . 21 2.3系统
9、整体结构 . 23 3设计计算和校核 . 25 3.1原理分析 . 25 3.2卷筒材料放卷时的半径计算和转速的控制规律 . 25 4变频器各参数的设置 . 28 4.1控制模式选择 . 28 4.2张力设定部分 . 29 4.3卷径计算部分 . 31 4.4张力补偿部分 . 33 变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 4 4.5断料自动检测参数 . 34 4.6自动换卷参数 . 35 5系统调试 . 36 系统调试过程： . 36 参考 文献 . 40 致谢 . 错误 !未定义书签。 变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 5 1 绪论 1.1 课题的来源 变频器技术的不断
10、发展 ,矢量控制变频器和直接转矩控制变频器的出现 ,使得速度、转矩及动态响应等的控制性能得到了进一步的提高 ,再加上卷绕专用软件构成具有中心卷绕功能的专用变频器或交流伺服 ,这项技术在纸张生产中推广应用 ,提高了卷绕机的技术水平。 1.2 课题的意义 随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的快速发展，交流变频技术已经广泛应用于工业生产中。使用变频器对交流电动机进 行调频转矩控制的张力系统，具有许多磁粉离合器组成的张力系统所无法比拟的优点，如节能，可以实现大范围内高效、连续调速控制，在不停机换轴时减少由于张力波动产生的废料，等等。在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变
11、变频器的输出电压来实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出电压使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到 1： 10以上，而高性能的矢量控制方式的变频器的调速范围可以达到 1： 1000。此外 ，在采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可直接控制电动机的输出转矩。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到甚至超过高精度直流伺服电动机的控制性能 1 。 1.3 变频技术在卷绕机上应用国内外的发展状况 1.3.1 变频器的发展及现状 变频技术诞生背景是交
12、流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。 20 世纪 60 年代以后，电力电子器件普遍应用了 晶闸管 及其升级产品。但其调速性能远远无法满足 需要。 20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压变频 (PWM VVVF)调速的研究得到突破， 20 世纪 80 年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。 20 世纪 80 年代中后期，美、日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。 最早的变频器可能是日本人买了 英国 专利研制的。不过 美国变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 6 和 德国 凭借电子元件生
13、产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。步入 21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场 。 1.3.2 变频器的发展方向预测 变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今 的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。 随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展 23、 ，变频器的 性价比 越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新
14、的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对 电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗如何。这里仅以量大面广的交 直 交变频器为例，阐述它的发展趋势： 主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化；开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。 变频器主电路的拓扑结构方面。变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用 6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化 12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的转动，为实现变频器再生能量向电网回馈 和节省能量，网侧变流器应为可
15、逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双 PWM 变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。 脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制、消除指定次数谐波的 PWM 控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制） 4 。 交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展、开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。 微处理器的进步使数字控制成 为现代控制器的发展方向。运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息 5 。近几年来，国外各大公司纷纷推出以
16、DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为 DSP 单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。 DSP 和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强 10 15倍，可确保系统有更优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 7 制具有很大的 灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实 6 ，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断、加强保护和监视功能，使系统智能化 (如有些变频器具有自调整功能 )。 1.3.3 卷绕机的发展及现状
17、卷绕机有半自动和全自动两个系列 ,有高速和低速。高速全自动卷绕头是集机械、电气为一体的高科技产品。 1988 年 , 日本帝人制机公司在北京国际纺机展览会上 , 首次展出了 6头同时卷绕 6根丝的全自动卷绕头。从 1989 年我国引进全自动卷绕头到 2000 年 底止 , 国内化纤行业全自动卷绕头市场基本上由德国的巴马格公司 , 日本的帝人制机、村田、东丽公司和瑞士的立达公司所垄断。1997年 , 中国纺织科学研究院启动了全自动高速卷绕头的研究工作 , 经过几年的努力 , 开发了不同规格的系列化产品 , 并迅速投放市场 , 打破了外国公司的垄断地位 7 。 卷绕头自控系统的研究是整个设备开发的
18、重要环节。就电气技术本身来说 , 需要硬件与软件的有机结合 .。硬件如变频器等 , 根据各公司的一般惯例 , 均采用知名厂家的成熟产品 ) 软件 , 需要 根据生产工艺的求 , 独立自主地研究和开发。 而作为造纸印刷行业的卷绕设备，纸张卷绕机多延用了传统的直流传动系统，采用自流电机来控制，这也是制约了生产效率的原因。近年来许多使用纸张卷绕机的厂家纷纷在原有的基础上进行改造，取得了一定的效果，使设备从原来的半自动发展到了全自动的阶段。本设计中所提出的利用变频器来达到变频调速功能就是其中的一种。 变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向， 变频调速系统得到了越来越广泛地应用，在变频调速控制系统
19、中产生可调电压和可调频率的逆变电路控制技术是变频调速的核心技术，如何高 速有效的对变频调速系统进行控制是本次研究的重点。 因此，采用什么样的控制方式及如何对系统进行设计成为我们面临的最大的技术问题和难点。 1.4 课题研究的主要内容 1.4.1 直流转矩控制原理。 直流电动机所产生的电磁转矩作为驱动转矩使电动机旋转。转矩控制原理即考虑电机在加减速及匀速等运行条件下的转矩关系，从而达到控制转矩适应变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 8 设计要求的目的。 当电动机带着负载匀速旋转时 8 ，其输出转矩必定与负载转矩相等 ，但是电动机的输出转矩并不就是电磁转矩。因为电机本身的 机械摩擦（例
20、如轴承的摩擦、电刷和换向器的摩擦等）和电枢铁心中的涡流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此阻转矩用 0T 表示。这样，电动机的输出转矩 2T 便等于电磁转矩 T 减去电机本身的阻转矩 0T 。所以，当电机克服负载阻转矩 LT 匀速旋转时，则有 20= - = LT T T T （ 1） 式（ 1）表明，当电机稳态运行时，其输出转矩的大小由负载阻转矩决定。或者说，当输出转矩等于负载转矩时，电机达到匀速旋转的稳定状态，（ 1）称为电动机的稳态转矩平衡方程式。 把电机本身的阻转矩和负载的阻转矩合在一起叫做总阻转矩 ST ，即 0=+SLT T T 则转矩平衡方程式可写成 STT （ 2） 它表示在稳态运行时
21、，电动机的电磁转矩和电动机轴上的总阻转矩相互平衡。 实际上，电动机经常运行在转速变化的情况下，例如启动、停转或反转等，因此必须讨论转速改变时的转矩平衡关系。当电机的转速改变时，由于电机及负载具有转动惯量。将产生惯性转矩 jT j dTJdt 其中， J 是负载和电动机转动部分的转动惯量， 是电动机的角速度， ddt是电动机的角加速度。这时，电动机轴上的转矩平衡方程式为 2 Lj dT T T J dt 变频器在直流传动纸张卷绕机换代改造的实践与研究 9 或 2 L j L dT T T T J dt （ 3） 上式表明，当输出转矩 2T 大于负载转矩 LT 时， ddt 0 ，说明电动机在加速
22、；当输出转矩 2T 小于负载转矩 LT 时 0ddt ，说明电动机在减速，可见（ 3）表示转速变化时电动机轴上的转矩平衡关系。 1.4.2 变频转矩控制原理 变频转矩控制原理是指通过控制变频器的输出电压来达到让电机的输出转矩适应设计要求的控制模式。 对异步电动机实行调速时，希望主磁通保持不变，因为磁通太弱，铁芯利用不充分， 同样转子电流下转矩减小，电动机的负载能力下降；若磁通太强，铁芯发热，波形变坏。 变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，在极对数 pn 一定时，同步转速 1n 随频率变化，即 11160 602ppfn nn（ 4） 由式（ 4），异步电动机的实际转速为： 1 1 1 1(1 )n s n n sn n n （ 5） 由式（ 4）和（ 5）得： 114.44 4.44g S N s ms g S N s mE f N kU E f N k 式中 1f 电动机定子频率，单位为 Hz； 1N 定子相绕组有效匝数；
